皮帶機電氣控制系統的設計

張 平

（西山煤電集團新產業局機電修造園區， 山西 太原 030053）

引言

采煤機、刮板輸送機、液壓支架、皮帶機等為綜采

工作面的大型機電設備，各個設備的可靠性和效率直接決定了綜采工作面的采煤效率。皮帶機為綜采工作面的關鍵運輸設備，其主要功能是完成煤炭、矸石、設備等物料的運輸任務。在實際生產中，皮帶機常會出現打滑、跑偏、堆煤、超溫等事故。導致皮帶機出現上述事故的關鍵原因為其控制系統成熟度不夠[1]。此外，當前仍有部分綜采工作面皮帶機的運輸是依靠人工完成的，不僅工作效率低而且安全系數低。為了提升皮帶機工作的可靠性和安全性，設計了一款適用于綜采工作面的皮帶機控制系統，實現對皮帶機實時、精準控制，以確保皮帶機時刻在最佳狀態下運行。

1 皮帶機電氣控制系統的總體設計

皮帶機電氣控制系統應用的主旨為提升皮帶機在綜采工作面的工作效率和可靠性。

1.1 電氣控制系統的組成

皮帶機電氣控制系統是基于PLC 控制器對工作面各類傳感器所采集到數據進行分析后發出相應的指令并控制皮帶機做相應的動作，實現對皮帶機工作面狀態的實時調整。皮帶機電氣控制系統采用主從式結構，其中主站為主PLC 控制器和上位機觸摸品，從站為傳感器保護裝置和從PLC 控制器[2]。電氣控制系統的結構原理如圖1 所示。

主站主要對皮帶機進行實時監控和控制，一旦現場發生事故，要求將事故類型及時反映到上位機和相關操作臺上；從站主要對基于各類傳感器對皮帶機的運行狀態進行保護和監測，使其運行狀態滿足《煤炭安全規程》的相關規定[3]。

圖1 皮帶機電氣控制系統結構原理圖

由于皮帶機電氣控制系統工作面環境相對惡劣，為了避免電氣控制系統主站和從站之間的通信被干擾，要求主站和從站的通信基于RS485 實現，且從站系統中傳感器的類型主要包括有溫度、速度、堆煤、煙霧、跑偏等傳感器。

1.2 皮帶機電氣控制系統的設計總要求

為實現對皮帶機實時工作狀態包括工作環境、運行速度、軸承溫度等參數的監測，要求皮帶機電氣控制系統具有動態顯示功能、聯鎖功能、故障保護功能等[4]。

其中，動態顯示功能為上位機能夠實時顯示皮帶機工作環境、運行速度、軸承溫度以及是否出現打滑、跑偏等事故的信號；聯鎖功能為根據皮帶機的工作特征為其設定一定的啟動順序和停止順序，要求皮帶機必須遵循啟動或者停止順序才能工作；故障保護功能為當皮帶機在工作中出現打滑、跑偏、堆煤等事故時，系統應及時作出相應的動作，阻止事故的進一步發生，并將故障信號顯示于上位機為維修人員后續的維修工作做參考。

要求皮帶機電氣控制系統滿足如下要求：防爆要求、先進性要求、可靠性要求、兼容性要求、實時管理要求、故障保護要求。

2 皮帶機電氣控制系統的硬件設計

皮帶機電氣控制系統的硬件設計主要包括有主站硬件、從站硬件以及主站與從站的通訊方式的設計。

2.1 主站硬件的設計

主站硬件設計內容包括有對控制模塊、電源模塊以及顯示模塊的選型，還包含有主站硬件系統中電氣控制柜的設計及硬件的連接。

2.1.1 相關模塊的選型

鑒于綜采工作面相對惡劣的工作環境，對其相關模塊選型時的首要原則為其能夠適應惡劣環境的工作需求，且具有較強的抗干擾性能。

針對控制模塊而言，當前可應用于工業生產中的控制方式有繼電器控制、單片機控制以及PLC 控制。其中，以PLC 控制模塊的穩定性、可靠性最高。經對比各類PLC 控制器后，該電氣控制系統控制模塊為KC02-MD 礦用本安型PLC。

針對電源模塊，首要選型原則為具備防爆功能，且所選型控制模塊所需供電等級為12 V。綜合分析，所選電源模塊的類型為防爆變壓器PAK 系列的相關產品。

針對顯示模塊，選用具有較強數據處理和傳輸能力的設備，且具備防爆功能。經市場調研，選用國產KC01 工業礦用人體界面本安觸摸屏真彩顯示器一體機[5]。

2.1.2 主站硬件的連接

主站硬件的連接主要分為供電系統的連接和PLC 控制器輸入/輸出接口的連接。主站硬件的連接原理圖如圖2 所示。

圖2 主站硬件連接原理示意圖

2.2 從站硬件的設計

2.2.1 從站相關硬件的選型

皮帶機電氣控制系統從站的硬件主要包括有從站PLC 控制器及其各類傳感器。因此，從站硬件設計主要是完成從站PLC 控制器及傳感器的選型設計。

從站PLC 控制器的選型要求與主站相似。因此，從站PLC 控制器的選型結果為KC02-MD 礦用本安型PLC。

傳感器作為從站中的主要組成部分，其測量精度及可靠性直接據決定主站PLC 控制器對皮帶機實時控制指令。皮帶機電氣控制系統從站傳感器的選型結果如表1 所示。

表1 從站傳感器選型

2.2.2 從站硬件的連接

從站與主站不同之處在于：從站主要對皮帶機工作環境情況、設備軸承溫度、輸送帶速度等參數的實時監測，并將所監測到的數據傳輸通過RS485 傳輸至主站；而主站主要是根據從站所采集到的信息得出相應的控制指令，以確保皮帶機在最佳工作狀態下運行。因此，從站硬件連接設計中，除了從站PLC 控制器與各類傳感器的連接外，還包含有從站與主站的硬件連接。從站的硬件連接示意圖如圖3所示。

圖3 從站硬件連接示意圖

完成了皮帶機電氣控制系統從站和主站的硬件選型設計后，還需選用最佳通訊方式作為電氣控制系統信息的傳輸路徑。目前，普遍應用于工業生產中的通信協議主要有RS232 和RS485 通信方式。綜合考慮綜采工作面通訊距離遠、環境惡劣以及干擾嚴重等因素，皮帶機電氣控制系統選用RS485 通信方式。

3 結語

皮帶機作為綜采工作面的主要運輸設備，其承擔著工作面物料、設備與地面的運輸任務。為提升皮帶機的運輸效率，降低作業人員的勞動強度，提升皮帶機的安全性和可靠性，基于PLC 設計一款電氣控制系統，該電氣控制系統采用主站、從站的設計理念，并結合綜采工作面的生產情況及控制需求完成了主站、從站關鍵零件的選型設計，最后為該電氣控制系統配置RS485 通信協議，為綜采工作面的高效生產奠定了扎實的基礎。